三轴SHPB装置研制

白 盼, 师燕超， 宗瑞卿

(天津大学 建筑工程学院,天津 300072)

三轴SHPB装置研制

白 盼, 师燕超， 宗瑞卿

(天津大学 建筑工程学院,天津 300072)

文章针对动态真三轴分离式试验机的研究空白,提出了一种新型三轴分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar，SHPB)试验装置的设计思想。基于设计理念,建造了三轴SHPB装置的第一代原型；通过数值模拟,验证了该装置设计的合理性;选用有机玻璃作为试验材料验证该装置的有效性和可重复性。结果证明基于该设计的装置可以对试件产生三向同步正交动态冲击加载。

动态试验机;三轴试验机;高应变率;三轴分离式霍普金森压杆(SHPB)

0 引 言

材料强度是保证各种工程结构安全使用的一个最重要的基本条件,人们对于材料强度[1]的认识一般基于单向拉伸和单向压缩强度。工程实际结构中,材料处于二维或三维应力的作用下[2](统称为复杂应力),此时材料强度不同于材料的单轴强度。确定材料的复杂应力强度,需要研制二轴和三轴的加载设备[3],才能对该问题展开研究。

材料在动载下的力学性能与其在静载下的力学性能不同。高速加载与静态加载下材料变形之间存在着根本的差异[4]。动态加载状态下,材料变形有明显的应变率效应,不同应变率对应于不同的材料强度。然而,由于当前缺乏真三维高速冲击加载装置,人们对材料的应变率效应的认识仅仅来自于一维试验。现有的三维动态模型的材料参数均来自于基于强度理论的假定[5],缺乏试验验证。

因此,急需研制可靠的三维高速冲击加载设备,对多维冲击荷载作用下材料的动态强度进行研究[6],提高建筑结构抗爆炸冲击设计的安全性与经济性。目前,国内外高速加载试验装置多为单轴冲击加载,对混凝土、岩石等脆性材料,研发了假三轴动态加载设备,即围压霍普金森压杆系统[7],但未得到大的发展。

1949年,Kolsky提出分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar，SHPB)试验装置的设想,并推导了该试验应变、应力和应变率计算方法[8]。该装置基于如下2个假定[9]:① 一维假定,认为应力脉冲在弹性压杆中是沿纵向一维传播,二维弥散效应被忽略;② 均匀假定,在非常短的时间内,试件内部应力趋于平衡。该装置简单,操作使用方便，通过测量杆上的应变反推试件的应力应变关系,测量方法巧妙简单，能测量到令人关注的应变率范围(100～10 000 s)，并能通过改变撞击速度和子弹形状,很好地控制调节加载波形。

基于这些优点,SHPB装置成为材料动态力学性能试验的重要工具之一,并出现新的发展趋势，即霍普金森拉杆[10]、动态三点弯曲试验[11]、高温动态力学性能SHPB装置[12]以及大口径SHPB装置[13]。

本文基于传统SHPB装置,提出了三轴SHPB的设计思想,通过数值模拟和试验,分析验证了该装置的有效性。

1 装置设计

传统SHPB的设计思想为:用一根撞击杆,给入射杆施加冲击荷载产生入射波;入射波通过入射杆传到试件处被反射和透射,反射的一部分返回入射杆,透射的一部分进入透射杆。在入射杆和透射杆上粘贴应变片,通过外围数据采集装置记录相应的入射波、反射波和透射波。通过采集到的应力波信号反推试件受动态冲击加载时的动态应力应变关系。

传统SHPB装置设计巧妙,但是只能在单轴方向上对试件进行冲击加载。新型三轴SHPB装置的设计示意图如图1所示,它的典型特征是有3对入射杆和透射杆,总共6根压杆。为了产生同步的入射波,将3根入射杆合成1束,用同一个加载杆(撞击杆)对其进行冲击加载。试件形状为立方体,其6个面中3个面作为冲击波输入面与入射杆相对,另外3个面作为冲击波输出面与透射杆相对。采用该方式实现对试件三轴同步动态加载。

这样仍然存在2个问题:① 3根入射杆互相平行,试件是立方体,不能对试件表面进行直接加载;② 试块的正方形表面和压杆的圆形截面不匹配。为此,引入2种转向头,即入射转向头和透射转向头(见图1)。

图1 三轴SHPB试验装置设计

入射转向头的作用为:① 由压杆圆形截面圆滑过渡到试件方形表面;② 使入射波转向,垂直输入到试件表面。而透射转向头只起到圆滑过渡截面的作用。6个转向头一起形成一个中空的立方体腔,即装载试件的立方体试件腔。

通过观察节点Sampler所得到的数据集，其中数据的分布并非线性。SVM通过一个映射函数，将低维的输入空间Rn映射到高维的特征空间H。实现过程中，本文使用了径向基核函数(radial basis function)，其中最常用的RBF为高斯核函数:

和传统SHPB装置一样,三轴SHPB也由3个部分组成,即压杆系统、测量系统以及数据处理系统。其中测量系统和数据处理系统沿用传统SHPB成熟的技术,只是增加了更多的通道和复杂性。不同在于三轴SHPB包括3根入射杆和3根透射杆总共6根压杆,同时引入了转向头以使压杆和立方体试件完好接触。试验时,由1根加载杆(子弹)同时撞击3根平行的入射杆,产生同步的梯形应力脉冲(入射波)，经3根入射杆传递到试件后对试件进行动力加载,产生高速变形。同时产生的反射波和透射波分别向两边传递,其中透射脉冲经过转向头后传入透射杆。这些应力波脉冲由压杆上的电阻应变片转换成电信号记录下来。

2 数值模拟分析

2.1 数值建模

为了验证本文三轴SHPB试验装置的合理性和有效性,利用LS-DYNA软件,对该装置进行了数值模拟分析。选择SOLID164单元来模拟压杆、撞击杆和试件。压杆和试件都选用线弹性材料模型。

参考国内外研究文献[11-12],本文对压杆、撞击杆、转向头以及试件的轴向和径向网格划分均为5 mm。网格划分如图2所示。

图2 入射转向头和透射转向头形成试件腔

2.2 结果分析

在3个入射杆上,距撞击端1.0 m处分别取一个表面单元作为对比。以横轴表示时间,纵轴表示应力大小水平,其应力历史如图3所示。由图3可以看出,第1个负峰值的波便为入射波,持续时长约0.16 ms;反射波在0.64～0.80 ms之间,由同一撞击杆对3根入射杆施加冲击,在3根入射杆中产生同步等幅值的入射应力波,反射波同步性也较好。

图3 入射波同步性对比

在某一根透射杆同一截面上选取3个不同的单元,对比分析其应力历史,结果如图4所示。由图4可以看出,与入射波相比,透射波的波形和时长出现很大的变化,这是因为本文装置中引入的入射转向头和透射转向头使应力波的传播变得复杂。本研究旨在给出定性的分析,以验证可以使用本装置对试件施加三轴正交同步冲击加载。

图4 单根透射杆透射波对比

分别在3根透射杆上,距试件1.0 m处取表面3个单元,其轴向应力历史如图5所示,由图5可看出，不同透射杆上透射波的同步性良好。

图5 不同透射杆透射波同步性对比

3 试验验证

3.1 装置搭建

以本文设计思想为指导,建造了三轴SHPB。传统SHPB装置中,压杆水平置于台架上,不需要其他附属装置。由于三轴SHPB设计的特殊性,为了在入射杆中产生同步的入射波,需要将其竖直放置,另外透射杆需要悬空放置，并且有精确的角度要求。为此,搭建大型支撑钢架,操作平台置于钢架二层,三轴SHPB试验装置如图6所示。

图6 三轴SHPB试验装置

发射装置位于钢架平台的下部,入射杆和透射杆位于平台2层。3根透射杆放置在有微调装置的斜板支架上,可以随着导轨自由移动并且调整其位置和试件对准。每根压杆的端部有1个转向头,6个转向头形成立方体试件腔。

3.2 同步性验证

数值模拟中,设定试件材料和杆材相同。在实际试验中,为了保护转向头,并且使试验具有实际意义,选用有机玻璃作为试件材料。有机玻璃是一种有机高分子材料,学名聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate,PMMA),它具有质量轻、耐老化、透明性好、不宜碎裂的优良性能,还具有良好的机械性能。

和数值模拟一样,首先检验入射杆中的实际应力波形情况。本装置用1根加载杆撞击3根入射杆,目的是在3根入射杆中产生同步的入射脉冲。在这种情况下,加载杆和每根入射杆不是共轴撞击,可能会造成产生的冲击脉冲不是一维弹性波。为了检验这一点,在入射杆1上距试件0.65 m处布置对称的应变片,测得同一截面上的应力波形进行对比,结果如图7所示。

由图7可知,单根入射杆中的入射波形没有差别,反射波差异较大。这是由于应力波碰到转向头后发生较为复杂的变化,致使反射波不是均匀的一维弹性波。

图7 单根入射杆中入射波对比

对于传统SHPB,因为只有1根入射杆和1根透射杆,所以其测试结果只有2条曲线。三轴SHPB装置有3根入射杆和3根透射杆,进行1次完整的试验需要测得全部6条波形。受实际试验装置空间的限制,入射杆和透射杆上的应变片都布置在距试件0.65 m处,试验结果如图8所示。

由图8可知,实际的三轴SHPB装置可以在入射杆中产生同步等幅值的入射冲击脉冲;入射波和反射波之间的波形存在起伏,这是由于压杆上的应变测点离试件较近,入射波和反射波存在叠加。

综合以上试验结果可知,3个入射波之间同步性良好,反射波之间存在一些差异,透射波之间同步并且等幅值。相比入射杆的同步性,透射波的同步性更能说明本文装置可以对试件进行三轴动态同步冲击加载,证明了该装置的有效性。反射波之间的差异部分是噪音造成的,部分是由于试件安装达不到完全对准以及转向头的引入造成的。另外在入射波和反射波之间,0.35～0.40 ms时间范围内波形不平整,这是由于入射波和反射波存在叠加。也就是说,现有装置入射杆长度过短,需要将入射杆测点位置布置在离试件更远的位置。

图8 三轴SHPB实验装置全局实验记录

4 结 论

目前国内外还没有真正意义上的真三轴动态试验机,为了得到材料在复杂应力状态下的强度准则,急需研发高速三轴同步冲击加载设备。传统SHPB试验装置构造巧妙,在此基础上本文提出了一种将其改为三轴SHPB装置的方法。经过研究,本文得到如下结论。

(1) 该三轴SHPB设计中,通过单根入射杆对3根入射杆进行非共轴撞击,可以在每根入射杆中产生均匀的一维弹性波。经数值模拟和试验验证,入射波和透射波主要为轴向应力波,可以达到同步等幅值。

(2) 该三轴SHPB装置引入了转向头,可以实现截面过渡和应力波转向的作用;可以用该装置对试件施加同步正交的三轴动态加载;压杆上测得的应力波波形特征明显,可区分度较好。

[1] 王怀亮.复杂应力状态下大骨料混凝土力学特性的试验研究和分析[D].大连:大连理工大学,2007.

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(责任编辑 胡亚敏)

Development of new tri-axial split Hopkinson pressure bar

BAI Pan, SHI Yanchao, ZONG Ruiqing

(School of Civil Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

The dynamic true tri-axial testing machine is not available at present. On account of this, the detailed design philosophy of a new tri-axial split Hopkinson pressure bar(SHPB) is proposed in this paper. Based on the design philosophy, a prototypical tri-axial SHPB apparatus is fabricated. By means of numerical simulation, the feasibility of this device is verified. Experiments are conducted using this tri-axial SHPB to verify its capability and repeatability. It is found that this tri-axial SHPB can be used to subject the specimen under synchronized tri-axial impact loads.

dynamic testing machine; tri-axial testing machine; high strain rate; tri-axial split Hopkinson pressure bar(SHPB)

2015-12-05；

2016-12-16

国家自然科学基金专项基金资助项目(51227006)

白 盼(1991-),男,甘肃庆阳人,天津大学硕士生; 师燕超(1982-),男,河南周口人,博士,天津大学副教授,硕士生导师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.05.007

O343.2;TU313

A

1003-5060(2017)05-0610-05